基于置乱切换决策机制和声搜索的图像加密算法-陈煜欣.pdf

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1、第 卷 第 期 年 月沈 阳 工 业 大 学 学 报 收 稿 日 期 ： 基 金 项 目 ： 环 保 部 环 保 公 益 行 业 科 研 专 项 基 金 资 助 项 目 （ ） 作 者 简 介 ： 陈 煜 欣 （ ） ， 男 ， 广 东 汕 头 人 ， 高 级 工 程 师 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 网 络 信 息 安 全 及 云 计 算 等 方 面 的 研 究 本 文 已 于 在 中 国 知 网 优 先 数 字 出 版 网 络 出 版 地 址 ： ： ： 基 于 置 乱 切 换 决 策 机 制 和 声 搜 索 的 图 像 加 密 算 法陈 煜 欣（ 环 境 保 护 部 信 息 中 心 ，

2、 北 京 ）摘 要 ： 为 解 决 当 前 图 像 加 密 算 法 因 其 置 乱 过 程 存 在 周 期 性 而 难 以 有 效 降 低 相 邻 像 素 间 的 紧 密 度 ，导 致 其 安 全 性 不 高 的 问 题 ， 提 出 了 一 种 置 乱 切 换 决 策 机 制 耦 合 动 态 和 声 搜 索 的 图 像 加 密 算 法 将 明文 分 割 成 均 等 图 像 子 块 ， 通 过 映 射 形 成 一 组 随 机 数 组 ， 并 定 义 置 乱 切 换 决 策 机 制 ， 根 据 切 换参 数 选 择 合 适 的 置 乱 函 数 对 各 子 块 进 行 置 乱 以 图 像 熵 值 与

3、 相 邻 像 素 间 的 紧 密 度 为 目 标 函 数 ， 替 换传 统 的 和 声 搜 索 模 型 通 过 改 进 和 声 搜 索 机 制 输 出 的 最 佳 密 钥 设 计 像 素 加 密 函 数 并 反 复 搜 寻 优 化 ，使 相 邻 像 素 间 的 紧 密 度 最 小 结 果 表 明 ： 与 当 前 图 像 加 密 技 术 相 比 ， 所 提 算 法 的 安 全 性 更 高 ， 具 有 更高 的 抗 剪 切 攻 击 与 抗 差 分 攻 击 能 力 该 算 法 能 够 较 好 地 用 于 二 维 码 以 及 数 字 图 像 的 信 息 加 密 关 键 词 ： 图 像 加 密 ； 置

4、乱 切 换 决 策 机 制 ； 和 声 搜 索 算 法 ； 切 换 参 数 ； 扫 描 ； 像 素 加 密 函数 ； 映 射 ； 加 密 函 数中 图 分 类 号 ： 文 献 标 志 码 ： 文 章 编 号 ： （ ） （ ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； ； ； ； 图 像 因 其 含 有 非 常 丰 富 的 细 节 信 息 ， 使 其 在各 个 领 域 得 到 了 广 泛 应 用 ， 已 成 为 各 行 业 交 流 的 必备 工 具 ， 但 是 由 于 图 像 经 常 在 开 放 的 网 络 中 传 输 ，使 其 易 遭 受 到 攻 击 ， 导 致 信 息

5、 面 临 巨 大 威 胁 第 期 闫 峰 ： 基 于 差 分 进 化 算 法 的 供 热 节 能 控 制 系 统万方数据如 何 在 未 授 权 的 网 络 中 安 全 传 输 图 像 ， 确 保 图 像信 息 不 被 窃 取 ， 已 成 为 各 国 学 者 的 研 究 热 点 ，传 统 的 数 据 加 密 算 法 忽 略 了 数 字 图 像 的 大 数 据 容量 与 高 冗 余 度 等 特 征 ， 导 致 其 无 法 有 效 确 保 数 字图 像 传 输 安 全 为 了 适 应 数 字 图 像 加 密 技 术 ，使 得 图 像 在 网 络 中 免 受 黑 客 攻 击 ， 各 国 学 者 提 出

6、了 诸 多 相 应 的 数 字 图 像 加 密 算 法 ， 取 得 了 较 好 的效 果 包 林 霞 等 为 了 提 高 图 像 加 密 安 全 性 ， 提出 了 基 于 小 波 变 换 域 混 沌 加 密 与 循 环 移 位 的 改 进图 像 加 密 算 法 ， 虽 然 此 类 加 密 技 术 的 复 杂 度 较 低 ，但 是 其 仅 能 改 变 像 素 位 置 ， 无 法 改 变 像 素 值 ， 降 低了 算 法 的 安 全 性 ； 朱 和 贵 等 为 了 确 保 数 字 图 像传 输 安 全 ， 提 出 了 二 维 混 沌 映 射 和 二 次剩 余 的 图 像 加 密 算 法 ， 但 是

7、 算 法 仅 仅 依 赖 单 一 的混 沌 映 射 对 其 完 整 置 乱 ， 过 程 存 在 较 为 显 著 的 周期 性 ， 安 全 性 不 佳 ； 为 了 提 高 算 法 的 安 全 性 ，设 计 了 基 于 两 个 复 杂 混 沌 系 统 的 彩 色 图 像 加 密 算法 ， 但 是 仅 依 赖 低 维 混 沌 映 射 与 算 子 对 图像 加 密 ， 其 安 全 性 仍 有 待 提 高 为 了 降 低 加 密 算 法 对 混 沌 轨 迹 的 依 赖 性 ， 本文 提 出 了 置 乱 切 换 决 策 机 制 和 声 搜 索 的 图 像 加 密算 法 ， 通 过 定 义 置 乱 切 换

8、决 策 机 制 ， 利 用 不 同 的 方法 改 变 明 文 像 素 位 置 ， 利 用 新 的 和 声 搜 索 机 制 对置 乱 密 文 进 行 扩 散 ， 完 成 加 密 过 程 ， 并 测 试 了 本 文算 法 的 加 密 性 能 与 安 全 性 图 像 加 密 算 法为 了 消 除 加 密 算 法 中 存 在 的 周 期 性 ， 本 文 设 计了 基 于 置 乱 切 换 决 策 机 制 和 声 搜 索 算 法 的 图 像 加密 优 化 算 法 ， 削 弱 了 相 邻 像 素 间 的 紧 密 度 ， 加 密 算法 流 程 图 如 图 所 示 ， 主 要 包 括 ： 基 于 置 乱 切 换

9、 决策 机 制 、 扫 描 的 明 文 置 乱 及 基 于 改 进 的 和 声搜 索 像 素 扩 散 结 合 明 文 分 块 与 定 义 置 乱 切 换 决 策机 制 ， 利 用 映 射 生 成 的 随 机 数 组 控 制 决 策机 制 的 参 数 ； 根 据 参 数 输 出 值 确 定 明 文 置 乱 方 法 改变 的 每 个 子 块 像 素 位 置 ， 并 利 用 扫 面 完 成二 次 置 乱 将 熵 值 与 相 邻 像 素 间 的 紧 密 度 定 义 为 目标 函 数 ， 改 进 了 和 声 搜 索 机 制 ， 从 而 设 计 了 像 素 加密 函 数 ， 通 过 反 复 搜 寻 优 化

10、 完 成 像 素 扩 散 图 图 像 加 密 算 法 基于置乱切换决策机制与明文置乱为 了 消 除 单 纯 利 用 混 沌 理 论 来 实 现 像 素 置 乱引 起 的 周 期 性 ， 本 文 定 义 了 置 乱 切 换 决 策 机 制 若初 始 明 文 图 像 为 ， 其 尺 寸 为 ， 首 先 对 初 始明 文 进 行 均 等 分 割 ， 通 过 将 ， 分 割 为 ， 等分 ， 每 个 子 块 的 尺 寸 为 （ ）( ) ， （ ）( ) ( )（ ）然 后 设 置 好 初 始 条 件 及 迭 代 映 射 ， 即 （ ） （ ）式 中 ， 为 混 沌 控 制 参 数 ， 当 ， 时 ，

11、 映 射 是 混 沌 的 获 取 随 机 数 组 ， ， ， ，为 了 消 除 混 沌 映 射 的 瞬 态 效 应 ， 从 ， ， ， 中 选 择 （ ） 个 元 素 定 义 置 乱 切 换 决 策 机制 ， 输 出 切 换 参 数 为 ，( ) （ ， ， ， ） （ ， ， ， ）（ ） 沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 卷万方数据式 中 ： 为 置 乱 切 换 控 制 参 数 ， 其 值 决 定 置 乱 函数 ； 为 置 乱 次 数 通 过 式 （ ） 得 出 的 可 确 定 置 乱 函 数 ， 具 体关 系 如 表 所 示 通 过 不 同 的 输 出 不 同 的 置 乱切 换 控 制

12、 参 数 ， 采 用 不 同 的 置 乱 函 数 对 明 文 子块 进 行 不 同 混 沌 轨 迹 的 置 乱 ， 显 著 消 除 了 周 期 性 ，继 而 提 高 了 算 法 的 安 全 性 表 置 乱 切 换 控 制 参 数 与 置 乱 函 数 的 关 系 置 乱 函 数 变 换 幻 方 变 换 仿 射 变 换 置 乱 函 数 变 换 变 换表 中 ， 变 换 、 变 换 、 变 换 、 仿 射 变 换 的 模 型 可 分 别 表 示 为 （ ） （ ） （ ）（ ， ） （ ， ） （ ）（ ， ） （ ）（ ） （ ）式 中 ： ， 为 初 始 明 文 的 像 素 坐 标 ； ， 为

13、置 乱 后的 像 素 坐 标 ； ， ， 均 为 混 沌 参 数 ； ， ， ， ， ， 均 为 变 换 参 数 利 用 变 换 、 变 换 、 变 换 、 仿 射 变 换 以 及 幻 方 变 换 进 行 置 乱 的过 程 分 别 见 文 献 利 用 置 乱 切 换 决 策 机 制 对 每 个 子 块 置 乱 后 ，获 取 扰 乱 子 块 ， 再 将 这 些 子 块 进 行 重 组 形 成置 乱 图 像 为 了 提 高 置 乱 密 文 的 随 机 性 ， 引 入 扫 描 机 制 将 所 有 的 置 乱 子 块 形 成 一维 数 组 ， ， ， ， 扫 描 示 意图 及 形 成 的 数 组 如

14、图 所 示 利 用 扫 描 得 到 的 一 维 数 组 ， ， 进 行 图 像 复 原 ， 形 成 二 次 置 乱 图 像 本 文 提 出 的 置 乱 技 术 通 过 采 用 不 同 的 置 乱 函数 ， 对 明 文 子 块 进 行 置 乱 ， 消 除 了 置 乱 周 期 性 ， 且利 用 扫 描 进 一 步 提 高 了 密 文 的 伪 随 机 性 ，改 善 了 图 像 像 素 位 置 的 置 乱 度 以 图 为 例 ， 利用 本 文 置 乱 技 术 分 别 与 文 献 提 出 的 技术 进 行 对 比 ， 通 过 计 算 三 种 置 乱 密 文 的 置 乱 度 来 体 现 优 异 性 ， 其

15、 计 算 表 达 式 为图 扫 描 机 制 （ ）式 中 ： 为 置 乱 密 文 ； 为 明 文 根 据 图 可 知 ， 从 人 眼 视 觉 来 看 ， 三 种 算 法 的置 乱 效 果 均 较 好 ， 有 效 隐 藏 了 图 像 信 息 ， 分 别 见图 ， 但 是 根 据 图 的 置 乱 度 测 试 结 果 可知 ， 本 文 算 法 的 置 乱 效 果 更 好 ， 其 置 乱 度 最 高 ， 达到 ， 而 文 献 的 置 乱 度 均 低 于 本文 技 术 ， 原 因 是 两 种 技 术 利 用 单 一 的 混 沌 映 射 对图 像 完 成 置 乱 ， 难 以 避 免 混 沌 周 期 性 ，

16、 使 其 置 乱 度不 高 基于和声搜索机制的像素扩展加密虽 然 明 文 经 过 置 乱 后 ， 改 变 了 像 素 位 置 ， 较 好地 隐 藏 了 图 像 信 息 ， 但 是 其 像 素 值 并 没 有 改 变 ， 篡改 者 可 通 过 穷 举 攻 击 等 手 段 轻 易 破 解 置 乱 密文 ， 因 此 ， 本 文 通 过 和 声 搜 索 机 制 设 计 像 素 扩散 模 型 ， 构 建 置 乱 扩 散 的 加 密 结 构 ， 进 一 步 增 强算 法 的 抗 攻 击 特 性 和 声 搜 索 算 法 （ ） 首 先 随 机 形 成 个 初 始 种 群 ， 并 将 其 存 储在 一 个 和

17、 谐 记 忆 库 中 （ ） ， 然后 对 及 其 参 数 进 行 初 始 化 ， 再 对 种 群 解 的 分量 与 和 声 记 忆 库 内 的 参 数 进 行 比 对 ， 若 新 解 优 于和 声 记 忆 库 中 的 最 优 和 声 ， 则 替 换 它 ， 反 复 执 行 此过 程 ， 直 到 搜 寻 出 最 优 解 适应度函数的确定和 声 搜 索 其 实 为 全 局 优 化 问 题 ， 目 的 是 以 较 低的 成 本 使 得 利 益 最 大 化 ， 其 适 应 度 函 数 可 表 示 为 （ ） ， （ ） ， （ ） ， ， （ ） ， （ ） （ ） ， （ ） （ ）式 中 ： （

18、 ） 为 全 局 函 数 ； 为 设 计 参 数 ； （ ） 、 （ ） 分 别 为 第 个 参 数 的 下 、 上 边 界 由 于 衡 量 加 密 算 法 的 重 要 量 化 指 标 是 信 息 熵 与 相 邻 像 素 间 的 紧 密 度 ， 故 本 文 定 义 了 新的 目 标 函 数 ， 即第 期 陈 煜 欣 ： 基 于 置 乱 切 换 决 策 机 制 和 声 搜 索 的 图 像 加 密 算 法万方数据图 明 文 置 乱 效 果 ， （ ） （ （ ） ） （ （ ） ） （ （ ） ）( ) （ （ ） ）( )槡（ ） （ ） （ （ ） ） （ ）式 中 ： 为 图 像 灰 度 等

19、 级 ； （ ） 为 像 素 出 现 的概 率 ； ， 分 别 为 相 邻 像 素 点 的 灰 度 值 ； 为 相邻 点 的 数 量 ； （ ） 为 均 值 函 数 ； 为 密 文 熵 值 ； 为 关 系 系 数 初始化和声库确 定 好 适 应 度 函 数 后 ， 开 始 对 算 法 的 和声 记 忆 库 保 留 概 率 （ ） 、 和 声 记 忆 库 尺 寸 初 始 化 若 （ （ ） ， （ ） ， ， （ ） ）是 中 的 第 行 谐 音 ， 则 初 始 化 中 所 有谐 音 的 表 达 式 为（ ） （ ） （ ） （ ） （ ）式 中 ， ， 为 随 机 数 利 用 式 （ ） 对

20、算 法 的 相 关 参 数 进 行 初 始化 后 ， 可 形 成 和 声 记 忆 矩 阵 ， 即 （ ） （ ） （ ）（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）（ ） 和声更新为 了 提 高 和 声 搜 索 机 制 的 动 态 性 ， 增 强 本 文 加密 技 术 的 安 全 性 ， 定 义 了 和 声 动 态 更 新 函 数 ， 在 对 明文 像 素 进 行 加 密 时 ， 通 过 和 声 动 态 更 新 函 数 能 够 不断 产 生 新 的 密 钥 从 式 （ ） 中 任 意 择 取 一 个 和 声（ ） ， 根 据 音 调 调 节 率 （ ）与 和 声 记 忆 库 考 虑 概 率

21、（ ） 对 （ ） 完 成 音 调 调 整 为 了 产生 新 和 声 （ ） ， 首 先 在 ， 内 随 机 生 成 随 机 数， 若 ， 则 （ ） 从 和 声 记 忆 库 中择 取 ； 否 则 ， 按 照 式 （ ） 生 成 若 （ ） 属 于 ，则 生 成 另 一 个 随 机 数 ， ， 并 按 照 （ ） （ ） （ ） 进 行 更 新 ， 其 中 ， （ ） 为 和 声的 第 个 参 数 带 宽 ， 详 细 的 和 声 搜 索 算 法 优 化 过 程见 文 献 通 过 执 行 本 文 改 进 的 动 态 和 声 搜 索 机制 ， 最 大 化 式 （ ） 的 输 出 值 ， 其 对 应

22、 的 （ ） 为 最优 密 钥 ， 再 根 据 最 优 密 钥 进 行 像 素 加 密 基于加密函数的像素扩散为 了 彻 底 改 变 像 素 值 ， 根 据 和 声 搜 索 机 制 输出 的 最 佳 密 钥 设 计 了 像 素 加 密 函 数 ， 其 表 达 式 为 （ （ ） ） （ ）式 中 ： ， 分 别 为 加 密 、 置 乱 密 文 第 个 像 素 值 ； （ ） 为 向 下 取 整 函 数 以 图 为 对 象 ， 利 用 式 （ ） 对 其 完 成 扩 散的 加 密 效 果 如 图 所 示 根 据 图 可 知 ， 明 文 信 息得 到 了 较 好 的 隐 藏 ， 没 有 信 息 泄

23、 露 图 本 文 算 法 的 加 密 效 果 实 验 结 果 与 分 析为 了 测 试 本 文 算 法 的 加 密 质 量 ， 在 平 沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 卷万方数据台 上 进 行 验 证 ， 同 时 为 了 体 现 所 提 算 法 的 优 异 性 ，将 本 文 加 密 算 法 与 文 献 、 算 法 进 行 了 比较 ， 部 分 参 数 设 置 为 ： ， ， ， 加密效果对比分析以 图 作 为 加 密 样 本 ， 利 用 本 文 加 密 算 法 与文 献 、 对 其 完 成 加 密 ， 加 密 效 果 对 比 如图 所 示 依 据 加 密 效 果 可 知 ， 三 种 算 法

24、 的 加密 质 量 都 比 较 高 ， 其 内 容 信 息 得 到 了 较 好 的 隐 藏 为 了 体 现 三 种 算 法 的 加 密 优 劣 ， 利 用 密 文 熵 对加 密 效 果 进 行 了 量 化 （ 见 表 ） 根 据 表 可 知 ， 虽然 本 文 算 法 与 文 献 、 三 种 技 术 的 密 文 熵值 都 接 近 ， 但 是 本 文 所 提 加 密 技 术 的 加 密 效 果最 好 ， 其 安 全 性 最 高 原 因 是 本 文 算 法 通 过 利 用 映 射 生 成 的 随 机 数 字 来 定 义 置 乱 切 换 决策 机 制 ， 并 以 密 文 熵 值 与 相 邻 像 素 的

25、 紧 密 度 为 适应 度 进 行 反 复 搜 索 ， 输 出 最 优 密 钥 ， 根 据 像 素 加 密模 型 完 成 扩 散 ； 而 文 献 、 都 是 利 用 混 沌 系统 的 混 沌 轨 迹 改 变 像 素 位 置 ， 这 两 种 技 术 均 难 以避 免 混 沌 周 期 性 ， 削 弱 了 算 法 的 安 全 性 图 三 种 算 法 的 加 密 质 量 表 各 算 法 的 密 文 熵 值 测 试 名 称 密 文 熵 值本 文 算 法 文 献 文 献 相邻像素间的相关性分析相 邻 像 素 间 的 强 烈 相 关 性 是 攻 击 者 常 用 的 线索 ， 这 种 相 关 性 密 文 很

26、容 易 被 破 译 ， 严 重 威 胁 图 像的 安 全 传 输 ， 因 此 ， 优 异 的 加 密 机 制 应 该 能 够 大 幅度 削 弱 这 种 相 关 性 ， 提 高 抗 攻 击 能 力 在 图 、 中 随 机 选 取 对 相 邻 像 素 点 ， 估 算 其 相 关 系 数 图 是 图 、 在 水 平 方 向 上 的 关 系 系 数 测 试 数 据 ， 由 图 的 像 素 分 布 可 知 ， 初 始 明 文 的相 关 性 较 强 ， 其 像 素 分 布 为 对 角 线 形 式 ， 值 约为 ； 经 过 本 文 置 乱 扩 散 的 加 密 结 构 处 理后 ， 输 出 明 文 相 邻 像

27、 素 间 的 值 得 到 了 大 幅 度 降低 ， 增 强 了 其 抗 统 计 攻 击 能 力 ， 如 图 所 示 ， 其 约 为 图 明 文 与 密 文 像 素 间 的 相 关 性 测 试 另 外 ， 明 文 与 密 文 中 其 他 两 个 方 向 的 值 计算 结 果 如 表 所 示 ， 由 表 中 测 试 数 据 可 知 ， 本 文加 密 技 术 安 全 性 较 高 ， 能 够 有 效 削 弱 相 关 性 表 不 同 方 向 的 相 关 系 数 测 试 结 果 选 取 方 向 图 相 关 系 数 图 相 关 系 数水 平 垂 直 对 角 线 抗差分攻击性能分析差 分 攻 击 严 重 威 胁 着 图 像 信 息 的 传 输 安 全 ，因 此 ， 良 好 的 加 密 机 制 应 该 能 够 抗 击 差 分 攻第 期 陈 煜 欣 ： 基 于 置 乱 切 换 决 策 机 制 和 声 搜 索 的 图 像 加 密 算 法万方数据击 本 文 引 用 （ ） 与 （ ）两 个 指 标 来 量 化 三 种 算 法 的 抗 差 分 攻 击 性 能 以图 为 测 试 对 象 ， 利 用 文 献 的 计 算 方 法得 到 了 三 个 密 文 对 应 的